и уравнения Максвелла, и дискретные порции света.
Эта великая история об электромагнитных полях и фотонах ведет непосредственно к еще одному ключевому моменту: объясняет, зачем и как природа производит такое огромное количество взаимозаменяемых «деталей». Если бы наш список фундаментальных составляющих закончился элементарными частицами, без ответа остался бы важнейший вопрос. Ведь на этом уровне мы должны постулировать, что каждый тип частиц существует во множестве идентичных копий: много одинаковых фотонов, электронов и так далее.
В истории промышленного производства введение стандартизованных, взаимозаменяемых деталей было великим открытием. Чтобы не отступать от шаблонов, потребовалось изобрести новые механизмы и материалы. И даже тогда многие детали изнашивались, ломались и деформировались со временем. С другой стороны, согласно наблюдениям, свойства фотонов одинаковы, где бы и когда бы мы их ни обнаружили. Независимо от источника свет данного цвета имеет одни свойства и одинаково взаимодействует с материей. Одинаковы и электроны, где бы они ни обнаруживались. Если бы, например, свойства электронов в разных атомах углерода не были идентичны, сами атомы также обладали бы разными свойствами и законы химии не работали бы.
Как природе это удается? Только проследив происхождение всех фотонов до общего, универсального магнитного поля, мы приходим к пониманию их единообразия. И, ведомые аналогией, мы вводим поле (назовем его электронным), возбуждениями которого являются электроны. Свойства всех электронов одинаковы, поскольку каждый является возбуждением одного и того же универсального поля.
Поля нужны для достижения локальности, а квантовые поля производят частицы. Теперь мы лучше понимаем, почему частицы существуют и почему они столь удивительно взаимозаменяемы. Нет необходимости вводить два разных сорта фундаментальных составляющих реальности — поля и частицы. Господствуют поля. А именно квантовые поля.
Если вернуться к истокам полевой концепции — к попыткам Фарадея представить себе влияние электричества и магнетизма на пространство, — становится понятно, как еще квантовые поля унифицируют наше представление о мире. Те же самые поля, порождающие фотоны, в соответствии с представлениями Фарадея — и уравнениями Максвелла — порождают электрические и магнитные силы.
Подведем итог.
От сил мы переходим к полям, а от (квантовых) полей — к частицам.
От частиц мы переходим к квантовым полям, а от полей — к силам.
Таким образом мы понимаем, что вещество и сила — два аспекта единой, лежащей в их основе реальности.
Здесь я коротко обрисую, в какой мере все вышеописанное — принципы и свойства, воплощенные в нескольких типах частиц, — помогает нам интерпретировать природу четырех известных сил[63], или фундаментальных взаимодействий.
Как мы только что видели, на следующем, более глубоком уровне частицы заменяются полями.
Эти четыре взаимодействия (и соответствующие теории) таковы:
• электромагнитное взаимодействие, или, во всем квантовом величии, квантовая электродинамика (КЭД);
• сильное взаимодействие, или, во всем квантовом величии, квантовая хромодинамика (КХД);
• гравитационное взаимодействие, рассматриваемое общей теорией относительности Эйнштейна;
• слабое взаимодействие.
Когда речь идет о земной материи, доминируют электромагнитное и сильное взаимодействия. Электромагнитное взаимодействие удерживает вместе атомы и управляет организованными из них структурами. Эти же силы описывают, как атомы взаимодействуют со светом. Сильное взаимодействие обеспечивает целостность ядер атомов и управляет их структурой.
Гравитационные силы, действующие между элементарными частицами, чрезвычайно слабы, но растут, когда частиц много. Так что если речь о больших (незаряженных) телах, то эти силы становятся основными.
Слабые силы управляют атомными превращениями и ведут к распаду частиц, которые в противном случае оставались бы стабильными. Они же обусловливают протекание реакций с выделением энергии. Заметим, что такие реакции — основной источник энергии звезд, включая наше Солнце.
Прежде чем погрузиться в детали, хочу объяснить два принятых мною решения. Первое касается выбора слов. Физики часто говорят не о четырех «силах», а о четырех «взаимодействиях». В пользу такого выбора есть вполне правомерный аргумент. В механике Ньютона слово «сила» имеет точное значение — определяет потенциальную причину движения. Но, например, в словосочетании «слабая сила» то же слово подразумевает совсем другое, а именно процессы, приводящие к превращению одних частиц в другие. Тем не менее я остановлюсь на словосочетании «слабая сила»: оно менее высокопарно[64], чем «слабое взаимодействие».
Второе решение затрагивает самую суть того, чего я надеюсь достичь этой книгой. Большая ценность наших теорий четырех сил — возможность точно и понятно выразить их в нескольких уравнениях. С точки зрения философии это означает нечто вполне конкретное, понятное и без математического образования. А именно наши теории без ущерба для содержания можно переформулировать в виде довольно коротких компьютерных программ и затем объединить в одну главную программу. Но даже эта программа — операционная система физического мира — будет значительно короче, скажем, операционной системы вашего компьютера.
Но у этого исключительного «сжатия данных» есть оборотная сторона: информация зашифрована, и шифр отличается от естественного человеческого языка.
Исходные уравнения или эквивалентные им компьютерные программы используют символы и понятия, совсем непохожие на привычные нам конструкции. Только после долгих вычислений и толкований можно перейти от уравнений к их следствиям, о которых легко рассказать.
В связи с этим я должен был выбирать — и не раз, — как добраться до истоков и какие их последствия выделить. Основной посыл остался прежним — небольшого числа законов достаточно для управления физическим миром.
Электрический атом
Основные правила для электромагнитного взаимодействия, начиная с закона Кулона и кончая выводом уравнений Максвелла, формулировались на основе опытов с объектами, размеры которых сопоставимы с человеческими. Приступив к исследованию субатомного мира, ученые предположили, что и там наиболее важны электромагнитные силы, а для их описания по-прежнему можно использовать уравнения Максвелла. Это был радикально-консервативный подход.
Подобная смелая стратегия работает на удивление хорошо. Если согласиться с тем, что основная масса атома и весь его положительный заряд сосредоточены в маленьких ядрах, а кроме этого есть только электроны, все остальное можно отдать на откуп уравнениям Максвелла плюс квантовым условиям, относящимся на этот раз к электронному полю. Вместе они дают одновременно точную и результативную модель атома.
Откуда мы знаем, что она верна? Атомы поют, открывая души свету. Я позволил себе некоторую поэтическую вольность, но эта фраза описывает и мастерство, и научный метод спектроскопии.
Спектроскопия
Начнем сначала — с фотонного[65] и электронного поля. Согласно квантовому условию, поле фотона дает нам фотоны. Они электрически нейтральны и непосредственно друг с другом не взаимодействуют.
Квантовое условие для электронного поля дает нам электроны, взаимодействующие благодаря электрическим силам. Именно поэтому все возбуждения электронного поля нельзя построить, просто складывая независимо фундаментальные возбуждения. Однако, когда электроны находятся достаточно далеко друг от друга, энергия их взаимодействия гораздо меньше энергии, заключенной в их массе (то есть E = mc2), так что их опять можно рассматривать по отдельности. Другими словами, фундаментальные возбуждения электронного поля представляют собой сгустки влияющих друг на друга маленьких частиц — электронов. На этой «полевой закваске» «выпекаются» как элементарные курсы, рассказывающие об окружающем мире, так и серьезные учебники по химии и биологии.
Чтобы построить модель атома, учтем влияние ядра на возбуждения электронного поля, содержащего достаточно электронов, чтобы сбалансировать положительный электрический заряд ядра. При такой «конструкции» точные уравнения для электронного поля могут оказаться достаточно сложными, поскольку должны учитывать как влияние ядра на электроны, так и влияние электронов друг на друга. Это начало долгой истории ядерной физики и химии, строящихся на фундаментальных принципах. Многие талантливые люди посвятили всю жизнь исследованиям тех или иных разделов этих наук.
Однако наша цель и более глобальна, и более ограниченна. Мы хотим в самом общем виде понять, что собой представляют наиболее важные гипотезы атомной физики и как они связаны с основами мироустройства. Если исходить из этого, главный вывод атомной физики удивительно прост: изучая цвета испускаемого атомами света, мы можем собрать обширную, детальную информацию об их устройстве.
Набор цветов, которые испускает атом, называется спектром, а его изучение — спектроскопией. Спектроскопия — один из самых мощных инструментов, дающих нам возможность общаться с природой. Его можно использовать для изучения не только электрически нейтральных атомов, но и молекул, ионов и вообще всего, что испускает фотоны.
В 1913 году, еще до того как квантовая механика обрела свою современную, совершенную форму, Нильс Бор сформулировал правила, ограничивающие допустимые значения энергий атома водорода. Правила Бора появились неожиданно — в результате вдохновенной догадки. Предсказанный им спектр точно совпадал с имевшимися экспериментальными данными, что было не так уж удивительно: пра